V. La puce : l’intégration

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1 V. La puce : l’intégration
A. Lithographie Principe : utiliser un masque, une résine (pos. ou neg.), une illumination La plaquette (wafer) de Si est traitée en surface : 1- En général, oxydée  SiO2 isolant 2- Recouverte de résine photosensible Ensuite, on utilise un masque pour « imprimer » le circuit

2 Principe : utiliser un masque, une résine (pos. ou neg
Principe : utiliser un masque, une résine (pos. ou neg.), une illumination Résine positive Résine négative (photorésist)

3 La finesse des motifs imprimables dépend de la technique :
classique (visible, UV, UV lointain) 2 types de lithographies électronique nm nm nm Electronique Classique Utilisée actuellement dans l’industrie Détails > 10 nm Technique limitée par  Détails > 100 nm Technique limitée par le temps (balayage)

4 Exemple : photorésist résine négative Oxydation de Si (vapeur d’eau)
Dépôt d’un polymère « Insolation » à travers un masque le polymère durcit sur les zones éclairées 4. Les zones « ombrées » sont retirées 5. On dissout le Si (solution de HF) (voir début du cours) 6. On enlève le polymère (acétone ou autre) On a ainsi créé une « fenêtre » à travers laquelle on peut doper le Si apparent : N ou P, par exposition à des vapeurs de bore, Ga, As, etc…

5 B. Intégration (exemple d’un npn)
1. Le substrat de Si P est d’abord oxydé et une fenêtre est aménagée pour permettre la diffusion d’une couche N++ (dopant N, P, As, Sb). 2. On forme à la surface un film mince de Si N, par croissance épitaxiale de quelques µm d’épaisseur (4 à 10 µm), en plongeant le dispositif dans des vapeurs de Si et de P (pour le dopage Si N). 3. La couche Si N est entièrement oxydée puis l’oxyde est enlevé sur les zone P+ à l’aide d’un masque. On effectue alors la diffusion locale du mur d’isolement P+ (vapeurs de B) Voir + loin pourquoi 4. La plaquette est entièrement réoxydée, la zone centrale de l’oxyde enlevée, puis dopée P (B) pour construire la base du transistor (Si P)

6 (P+, comme tout le substrat P, doit être en polar. < 0)
5. La plaquette est ensuite préparée pour la diffusion de l’émetteur et la prise de contact du collecteur. Le contact de coll. se fait avec de l’Al, dopant P ! Pour éviter de doper P la couche de Si N, il faut diffuser une zone très dopée N++ 6. Après réoxydation, on pose les prises de contact Al. On évapore l’Al sur toute la plaquette, puis par masquage négatif, on enlève l’Al en trop. Les « murs d’isolement » servent à accoler divers composants sans court-circuit (ici, 2 transistors npn) Le T1 serait en cc avec le T2 si les zones Si N se touchaient. Avec l’isolement P+, on place une diode bloquée entre les 2 (P+, comme tout le substrat P, doit être en polar. < 0)

7 7. Une fois terminé … Vu de côté : Vu de dessus :

8 Faire un exercice sur cette methode de gravure et d integration.

9 C. Exemples de composants intégrés
En plus de transistors, on peut bien sur intégrer d’autres composants : Diodes Résistances Capacités Jonction PN (cc collecteur-base) Contact ohmique R fonction de p (couche SiO2)

10 Les semi-conducteurs : de la puce à l’atome ?
VI. Quelques dispositifs récents Les semi-conducteurs : de la puce à l’atome ?

11 Revenons sur notre transistor MOS.
Mémoires Flash Revenons sur notre transistor MOS. C’est le composant essentiel des actuelles mémoires FLASH (clés USB). Comment ça marche ? On emprisonne des électrons dans la grille enterrée 2 méthodes pour cela : a- l'injection d'électrons chauds (sous fort champ électrique) b- l'effet tunnel obtenu en appliquant une haute tension sur une « vraie » grille (appelée grille de contrôle). Grille 2 (contrôle) Un courant (tunnel) peut passer dans un isolant, malgré la barrière de potentiel, si la différence de potentiel entre la G2 et la G1 est suffisamment grande, et la distance suffisamment petite. Grille 1 (enterrée) Isolant (SiO2) Source Drain Si N

12 Fonctionnement Si VG1 = 0, le transistor est bloqué (état 0)
Si VG1 < 0, le transistor est passant (état 1) Fonctionnement Si N p+ Isolant SiO2 Métal (Al) G1 Source Drain Métal (Al) G2 Si VG2 = 0 : rien ne se passe. Si VG2 << 0, un courant passe. Les e- vont passer de G2 vers G1 (par effet tunnel) et VG1 devient < 0 Transistor passant Si VG2 redevient 0, plus de courant. Les e- sont bloqués en G1 VG1 reste < 0 Transistor tjrs passant ! Il faudra imposer VG2 >> 0 pour débloquer les e- de G1 VG1 redeviendra = 0 Le transistor redevient bloqué L’intérêt du blocage : pas besoin de tension pour maintenir l’état

13 A continuer Futures mémoires Flash : Transistor à 1 électron
L’idée est de miniaturiser encore + les MOS, pour stocker + d’information (une diminution de taille de  permet d’augmenter la densité de 2) Utilisation du blocage de Coulomb. Isolant (SiO2) A continuer Principe : -e - + - +q1 + Prenons l’image d’un condensateur plan : électron -e La charge de l’e- est quantifiée : -e (elle est indivisible). Mais l’e- influence les plaques opposées. Cette influence (charge q non entière) dépend de la distance. 0 < q < e - + - + +q2 - + - + Ici, q2 > q1 Métal L’électron se déplace de façon continue  la charge q varie continûment Toutefois, l’électron ne peut pas franchir l’isolant. Il est bloqué (les 2 plaques sont reliées à un générateur)

14 On peut tracer l’énergie du système en fonction de la charge de la surface
Puisque q varie continûment, à un moment q = e/2. Seulement dans ce cas, l’énergie de l’électron sur la plaque de gauche est égale à celle sur la plaque de droite. Il peut passer, par effet tunnel Charge A continuer -e/2 +e/2 Et ainsi de suite. Les e- passent un à un. On peut contrôler le passage des e-, par un dispositif à 2 condensateurs, type MOS Isolant (SiO2) Grille de contrôle (Al) Source Drain Mais l’application future probable dans peu de temps : mémoires Flash à 1 électron (ou avec très peu d’électrons)

15 A continuer E Grille de contrôle (Al) Isolant (SiO2)
L’électron est à gauche. Il ne peut pas traverser l’isolant, sauf si on impose VG < 0 tq la charge (et donc l’énergie) à gauche et à droite soit la même. il passe au centre. Source Drain A continuer E Isolant (SiO2) Grille de contrôle (Al) Ensuite, on cesse d’appliquer VG. e- emprisonné. Source Drain Charge à gauche Charge à droite Isolant (SiO2) Grille de contrôle (Al) Source Drain

16 A continuer Après le silicium, quels transistors ?
Limite future inévitable due à la taille L’électronique moléculaire L’électronique de spin A continuer

17 A continuer L’electronique moleculaire : La diode moleculaire
hexadecylquinolinium tricyanoquinodimethanide A continuer Observation of unimolecular electrical rectification in hexadecylquinolinium tricyanoquinodimethanide Thin Solid Films Volumes , 31 August 1998, Pages

18 The driving idea in UE (also called molecular-scale electronics) is that properly designed “electroactive” molecules, of the size between 1 and 3 nm in length, can supplant silicon-based devices in the ultimate reductio ad absurdum of circuit component sizes, providing the ultimate concomitant increase in integrated circuit speeds. However, amplification has not yet been realized, and the chemical interaction between metal electrodes and molecules are complex. A continuer

19 A continuer - Le nanotube de carbone
Le nanotube de carbone a la plus grande mobilité jamais mesurée : 100 000 cm².V-1s-1 à 300 K (le précédent record étant de 77 000 cm².V-1s-1 pour l'antimoniure d'indium). Pour comparaison, pour le Si, cette mobilite est de … A continuer La conductivite est metallique OU de type semi-conducteur selon la torsion du nanotube Faire calcul de vitesse de transport d’electron avec 1 nanotube ou avec 1 monocouche de nanotubes

20 FIN